解析 | 深度解析机器人身上的伺服系统

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随着工业自动化的发展，越来越多的领域开始使用工业机器人代替人力。对于机器人制造商和机器人消费者而言，选择合适的伺服电机始终是一项艰难的任务。机器人的关节驱动离不开伺服系统，伺服控制系统则是实现机器人机械本体控制和伺服机构控制的重要部分。因而要了解机器人的运作过程，必然绕不过伺服系统。



伺服系统

伺服系统是以变频技术为基础发展起来的产品，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。伺服系统除了可以进行速度与转矩控制外，还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。

广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也可称作随动系统。

狹义伺服系统又称位置随动系统，其被控制量（输出量）是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）作任意变化时，系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。



伺服系统的结构组成

机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。



伺服系统组成原理框图

1、比较环节

比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。

2、控制器

控制器通常是计算机或PID（比例、积分和微分）控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。

3、执行环节

执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。         

         

4、被控对象

被控对象指被控制的物件，例如一个机械手 臂，或是一个机械工作平台。

5、检测环节

检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。

伺服系统的特点和功能

伺服系统与一般机床的进给系统有本质上差别，它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置。伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数控系统的重要组成，具有以下特点：

必须具备高精度的传感器，能准确地给出输出量的电信号。

功率放大器以及控制系统都必须是可逆的。

足够大的调速范围及足够强的低速带载性能。

快速的响应能力和较强的抗干扰能力。

伺服系统的类型

按控制原理分：有开环、闭环和半闭环三种形式

按被控制量性质分： 有位移、速度、力和力矩等伺服系统形式

按驱动方式分： 有电气、液压和气压等伺服驱动形式

按执行元件分： 有步进电机伺服、直流电机伺服和交流电机伺服形式

伺服系统的执行元件

1、执行元件的种类及其特点   



（1）电气式执行元件

电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等。

  

（2）液压式执行元件

液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点。

   

（3）气压式执行元件

气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。

三种类型的区别：

种类	特点	优点	缺点
电 气 式	可用商业电源；信号与动力传送方向相同；有交流直流之分；注意使用电压和功率。	操作简便；编程容易；能实现定位伺服控制；响应快、易与计算机（CPU）连接；体积小、动力大、无污染。	瞬时输出功率大；过载差；一旦卡死，会引起烧毁事故；受外界噪音影响大。
气 压 式	气体压力源压力5~7×Mpa；要求操作人员技术熟练。	气源方便、成本低；无泄露而污染环境；速度快、操作简便。	功率小、体积大、难于小型化；动作不平稳、远距离传输困难；噪音大；难于伺服。
液 压 式	液体压力源压力20~80×Mpa；要求操作人员技术熟练。	输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机（CPU）连接。	设备难于小型化；液压源和液压油要求严格；易产生泄露而污染环境。

2、常用的控制用电机

控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。机电一体化产品中常用的控制用电机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电机。

控制用电机有回转和直线驱动电机，通过电压、电流、频率(包括指令脉冲)等控制，实现定速、变速驱动或反复启动、停止的增量驱动以及复杂的驱动，而驱动精度随驱动对象的不同而不同。

（1）伺服驱动电机一般是指：步进电机（Stepping Motor）、直流伺服电机(DC Servo Motor)、交流伺服电机(AC Servo Motor)



　

（2）常用伺服控制电动机的控制方式主要有：开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。

闭环系统的驱动系统具有位置(或速度)反馈环节；开环系统没有位置与速度反馈环节。

a、开环数控系统

没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。



无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。

这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。

b、半闭环数控系统

半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。



半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。

半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。

c、全闭环数控系统

全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。



从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。

该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。

机器人的伺服系统

通常情况下，我们所说的机器人伺服系统是指应用于多轴运动控制的精密伺服系统。一个多轴运动控制系统是由高阶运动控制器与低阶伺服驱动器所组成，运动控制器负责运动控制命令译码、各个位置控制轴彼此间的相对运动、加减速轮廓控制等等，其主要作用在于降低整体系统运动控制的路径误差;伺服驱动器负责伺服电机的位置控制，其主要作用在于降低伺服轴的追随误差。

机器人的伺服系统由伺服电机、伺服驱动器、指令机构三大部分构成，伺服电机是执行机构，就是靠它来实现运动的，伺服驱动器是伺服电机的功率电源，指令机构是发脉冲或者给速度用于配合伺服驱动器正常工作的。

　　



机器人对伺服电机的要求比其它两个部分都高。首先要求伺服电机具有快速响应性。电机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电机的机电时间常数的大小来说明伺服电机快速响应的性能。其次，伺服电机的起动转矩惯量比要大。在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电机的起动转矩大，转动惯量小。最后，伺服电机要具有控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。

当然，为了配合机器人的体形，伺服电机必须体积小、质量小、轴向尺寸短。还要经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受数倍过载。

　　

伺服驱动器是可利用各种电机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构，具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点，在机器人中应用比较广泛。

伺服系统的发展趋势

随着伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求也越来越高。总的来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面：

　



　

集成化：伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中，构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化显著地缩小了整个控制系统的体积。

　　

智能化：伺服系统的智能化表现在以下几个方面:系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置;它们都具有故障自诊断与分析功能;参数自整定的功能等。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。

　　

网络化：伺服系统网络化是综合自动化技术发展的必然趋势，是控制技术、计算机技术和通信技术相结合的产物。

　　

简易化：这里所说的“简”不是简单而是精简，是根据用户情况，将用户使用的伺服功能予以强化，使之专而精，而将不使用的一些功能予以精简，从而降低了伺服系统成本，为客户创造更多的收益。

国外知名伺服电机/系统制造商

伦茨（德国）

伦茨（lenze）是世界上著名的机电传动产品制造商，主要产品有直流调速装置、交流变频器、交流伺服、各类电动机、小型传动转置、减速箱、变速器、制动器、离合器等。该公司现役的产品MCM同步伺服电机主打机器人市场，结构紧凑、负载与电机惯量比佳、外壳平滑、简单易用，适合包装、搬运等应用场景。



lenze MCM同步伺服电机

博世力士乐（德国）

博世力士乐（BoschRexroth）作为德国博世集团的全资子公司．是全球工业技术市场的领先供应商，在传动和控制领域声誉卓著。该公司旗下产品种类繁多，主要集中在高质量电控、液压、气动、机电一体化元件和系统等领域。



BoschRexroth MS2N同步伺服电机

路斯特（德国）

路斯特（lust）隶属于柯尔柏集团，专注于向机器人/机床制造业提供通用型、可编程型及多轴运动控制型伺服驱动产品及相关解决方案的生产和贸易性企业。标准产品谱宽，涵盖通用型、可编程型、多轴运动控制型，它们被广泛的应用于各类产业机械和机床。



lust LST系列伺服电机

倍福（德国）

倍福（Beckhoff）基于PC的自动化新技术作为发展理念，所生产的工业PC、现场总线模块、驱动产品和TwinCAT自动化软件构成了一套完整的、相互兼容的控制系统，可为各个工控领域提供开放式自动化系统和完整的解决方案。



Beckhoff AM8000同步伺服电机

西门子（德国）

西门子是世界上最大的电气和电子公司之一，历经150年来常盛不衰，公司的业务主要集中于6大领域：信息和通讯、自动化和控制、电力、交通、医疗系统和照明。西门子的伺服电机种类丰富、结构紧凑，可实现卓越的动态特性和运行效率，性能等级全，安装规格多样。



SIMOTICS 1FT7永磁同步电机

欧系伺服特点是过载能力高，动态响应好，驱动器开放性强，且具有总线接口，包括现场总线、工业以太网甚至无线网络技术。但价格昂贵，体积重量大。（目前的高速伺服总线虽大多为开放标准，但技术都被国际化大公司所掌控。尤其是基于工业以太网技术，如EtherCAT、 Profinet、 EtherNet/IP、SERCOS III等，在提升工业机器人专用交流伺服系统的高性能方面起到了举足轻重的作用。德国公司Beckhoff推出的EtherCAT近年来发展势头迅猛，成为大多数高性能驱动系统首选的网络标准，安川、伦茨等国外伺服厂商已将EtherCAT 总线，作为下一代产品的总线标准。）

松下（日本）

松下是一家大型跨国企业，经营产品涉及家电、数码视听电子、办公产品、航空等诸多领域。松下旗下的松下电机主营电气机电类服务，该公司推出的小型交流伺服电动机和驱动器颇受市场欢迎，其中大惯量系列适用于数控机床，中惯量系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。



松下MINAS A5系列

安川（日本）

安川电机是世界一流的传动产品制造商，也是日本第一个做伺服电机的公司，其产品以稳定快速著称，性价比高，是全球销售量最大，使用行业最多的伺服品牌。从一般工业用机械到半导体、电子零部件制造设备，安川都能提供适合于各种用途的最匹配的伺服、控制器产品。



安川电机Σ-Ⅴ系列

三菱（日本）

三菱不是一家独立的公司，而是由众多的独立公司组成的团体，该公司涉足采矿、造船、银行、保险、仓储、贸易、纸、钢铁、玻璃、电气设备、飞机、石油和房地产等诸多领域，是日本的工业巨头。三菱电机一直致力于提高产品性能，FA产品阵容涵盖在亚洲占主导地位的可编程控制器（PLC）、人机界面（HMI）、交流伺服系统、变频器、工业机器人以 及低压配电产品。



三菱伺服电机

三洋（日本）

三洋是是日本松下旗下的电器公司，瞄准中端市场。2012年4月1日起，该品牌被停止营运。三洋的Denki交流伺服驱动系统是最早进入国内的伺服系统之一，以其卓越的性能高速精确灵活使用寿命长性价比高等特点闻名于世，可以实现不同控制方式的切换、全闭环控制、具有输出检测功能、自动滤波功能、实时自整定功能，广泛应用于冶金高炉印刷机械、包装机械、纺织机械、塑胶机械、医疗设备、自动化生产线等领域。



三洋AC伺服系列

日系伺服电机价格相对低，体积小，重量轻。但缺点也很明显，就是动态响应能力相对弱，开放性较差。

ELMO（以色列）

Elmo Motion Control是一家专业开发紧凑型、高功率伺服电机的企业，25年来一直致力于为各种恶劣工业环境设计了伺服驱动器，同时提供先进的网络运动控制器和完整的运动控制解决方案。该公司号称自己打造的是全球最好的伺服电机。



ELMO伺服电机

SERVOTRONIX（美的）

servotronix（高创）专注于运动控制领域业务，也是一家专业开发高性能伺服驱动器系列和运动控制解决方案的企业。该公司已被美的收购，未来将成为库卡机器人伺服电机的主要供应商。



servotronix PRO2系列伺服电机

AMC（美国）

AMC（ADVANCED Motion Controls）是一家提供可靠和高性能运动控制系统的公司，创立于1987年，几十年来一直保持小体量，只有300多名员工，其中40%是工程师。该公司的目标是成为最好的伺服公司，因此只生产伺服驱动领域的产品。依靠精湛的制造水平和先进的研发能力，近7年来，该公司客户存留率高达91%。



AMC伺服驱动应用案例

COPLEY（美国）

和AMC一样，Copley Controls也是一家专注于伺服驱动的公司，主要为广泛的工业应用提供高性能运动控制解决方案，拥有超过25年的OEM合作经验。该公司产品的应用领域主要有半导体、生命科学、自动化装备、机器人、测试/测量以及COTS军工等。



Copley伺服产品

以上这几家公司是伺服控制技术的领军者，它们的产品虽然在市场上份额不大，但代表伺服控制的技术发展导向。

国内知名伺服电机/系统制造商


伴随这几年数控化的普及，国内伺服产品的销量保持了快速增长，伺服系统的自主研发、制造生产及应用已基本成熟，形成了一定的产品系列和自主配套能力，但产品在高性能、高可靠性方面，与国外名牌企业仍存在明显差距，如国产品牌产品功率范围多在3KW以内，中小功率居多，技术路线上与日系产品接近。

随着工业机器人市场掀起热潮，我国伺服系统与国外名牌企业的明显差距已成为制约我国工业机器人产业的“瓶颈”。从技术上看，国产伺服电机主要有以下几个缺陷：

一是外形普遍较长，外观粗糙，很难应用在一些高档机器人上面。尤其是在轻载6kg左右的桌面型机器人上，由于机器人手臂的安装空间非常狭小，对伺服电机的长度有严格要求。

二是信号接插件的可靠性需要改进，而且需要朝小型化、高密度化以及与伺服电机本体的集成设计的方向设计，方便安装、调试、更换。

三是另一个核心技术就是高精度的编码器，尤其机器人上用的多圈绝对值编码器，严重依赖进口，是制约我国高档机器人发展的很大瓶颈。编码器的小型化也是伺服电机小型化绕不过去的核心技术。

四是缺失基础性研究，包括绝对值编码器技术、高端电机的产业化制造技术、生产工艺的突破、性能指标的实用性验证和考核标准的制定。

五是伺服系统各部分产业协同联合不够，导致伺服电机和驱动系统整体性能难以做好。

值得一提的是，除了以上五点工艺硬伤，许多国内伺服电机厂商还在继续采用购买过时技术、硬件打造“国产”电机的做法，这样生产出来的电机质量、稳定性参差不齐，不仅扰乱市场，还打击了企业内部自主研发的热情，不利于长期的可持续发展。

目前我国国内较大规模的伺服品牌有20余家，这些制造商的部分产品质量、性能较为突出，可圈可点，显示出了一定的独立性和创新性。

台达（台湾）

台达是知名华人自动化品牌，在全球自动化领域占据独特地位。90年代初期，台达采取自主研发的方式，开始进军工业自动化领域。基于其在电力电子领域的积累，台达从变频器产品起步，到后来PLC、伺服、HMI、CNC数控系统，再到基于PC-Based的PAC控制器、传感器、机器视觉、工业机器人等全系列自动化产品，最后锁定驱动、运动、控制三大领域。



台达ECMA系列标准型交流伺服电机

士林（台湾）

士林电机（shihlin）创立于1955年，主要开发重电、电装、机器、自动化领域的相关产品。该公司和日本三菱合作密切，在厦门建有合资公司，据传产品的用户体验与三菱电机不相上下。以士林SDH交流伺服系列为例，这系列电机采用台湾最好的编码器，响应速度全台第一。



士林SDH系列交流伺服电机

台系品牌使用简单，性能接近日系，但价格比日系品牌低廉，性价比高，在中低端市场发展较快。

汇川

深圳汇川主要从事自动化、新能源相关领域产品研发，是本土企业中伺服电机市场占有率最高的品牌。汇川在智能装备、工业机器人领域推出了变频器、伺服系统、控制系统、工业视觉系统、传感器等核心部件及电气解决方案等一系列工业自动化产品，目前已成为国内最大的中低压变频器与伺服系统供应商。汇川旗下几款伺服电机都支持Ethercat以太网通讯协议。



汇川IS620N伺服系统

固高

固高科技是国内技术领先的自动控制产品供应商，该公司自主研发的基于PC的开放式运动控制器、嵌入式运动控制器、网络式运动控制器、计算机可编程自动化控制器产品与系统，综合性能已达到了国际一流水平，填补了国内同行业的多项空白。固高主要为机器人运动控制提供系统。



固高GTHD系列高性能伺服驱动器

华中数控

华中数控背靠中科大，研发能力出色，是国内最大的中高档数控系列生产企业，旗下的车床伺服电机已达到国际中端水平。该公司的GK6、GK7全系列永磁同步交流伺服电机和GM7系列交流伺服主轴已实现批量生产，是目前全国唯一拥有成套核心技术自主知识产权和自助配套能力的企业。



华中数控ST系列总线式交流永磁同步伺服电机

广州数控

广州数控面向数控机床行业、自动化控制领域、注塑制品行业，是全国最大的机床数控系统研发厂商，突出优势是产业链齐全、规模庞大。该公司的伺服系统主要用于机床、包装机械等方面。



广州数控SJTR系列伺服电机

英威腾

2011年，英威腾收购御能动力，并把该品牌打造成了纺织机械伺服系统的细分龙头。英威腾主要为纺织机械企业提供整体解决方案，并在业内提供系列型号最为全面的防止伺服系统，目前该公司的伺服产品在纺织机械、包装机械、数控车床、点胶机、LED分光编带机贴片机等机器上有广泛应用，性价比较高。



英威腾DA200高性能通用交流伺服系统

埃斯顿

南京埃斯顿有十几年生产和销售交流全数字化通用交流伺服驱动器和电机的历史，产品广泛应用于各类数控机床和自动化设备。公司于2012年成功完成了863计划重大专项“工业机器人交流伺服系统驱动器和电机开发”，拥有了自主品牌的机器人专用交流伺服系统。目前，公司所有机器人使用的交流伺服系统均为自产，实现了国产核心零部件的突破。公司还成功开发了机器人专用“一拖六”交流伺服系统，为研制更经济高效的国产机器人提供了基础。



机器人的工作表现受伺服系统影响极大，因而精密伺服系统的关键性能指标永远都是先进性比较的首要因素。国外先进伺服系统已经能够很好地适应绝大多数应用的需求，其研发资源集中在个别高端应用及整体性能提升方面，处于精雕细刻阶段。在工业4.0的大背景下，国产伺服任重而道远，还需努力追赶。